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论文成果 | J. Phys. Chem. Lett.:中科大杨金龙、胡伟团队理论展望:二维半导体中的自旋轨道耦合效应

发布时间 : 2022-02-21阅读量 : 928 次

 

论文信息

 

英文原题:Spin-Orbit Coupling in 2D Semiconductors: A Theoretical Perspective

 

通讯作者:胡伟,杨金龙,中国科学技术大学

 

作者:陈佳佳,吴凯,胡伟,杨金龙

 

扫描下方二维码可阅读英文原文:

 

 

J. Phys. Chem. Lett.  2021, 12, 51, 12256–12268

Publication Date: December 20, 2021

 

研究背景

 

自旋电子学因其在数据存储和传输方面的潜在应用而备受关注。通过操纵电子的自旋自由度,自旋电子学可以利用自旋而不是电荷来传输信息。二维半导体自旋电子学因更容易实现自旋器件的集成而广受关注。自旋轨道耦合效应可以在没有外部磁场的情况下解除自旋简并,在自旋电子学中起着重要的作用。自旋轨道耦合效应主要包括源于结构反演对称性破缺的Rashba效应和源于体反演对称性破缺的Dresselhaus效应。这篇理论展望丰富了对二维半导体中自旋轨道耦合效应的基本理解,且有助于在未来的实验中设计新型的自旋电子器件。

 

展望亮点

 

该文总结了二维半导体中的自旋轨道耦合效应,包括:

 

1、Rashba效应和Dresselhaus效应的原理;
2、常见的二维Rashba材料;
3、Rashba效应的调控手段;
4、自旋轨道耦合效应的应用。

 

最后,对自旋轨道耦合效应接下来的研究方向进行了展望。

 

内容介绍

 

 

文中先用哈密顿模型回顾了二维半导体中Rashba和Dresselhaus效应的电子结构特征和数学表达式。

 

图1. Rashba效应和Dresselhaus效应的电子结构

 

 

常见的二维Rashba半导体材料可以分为以下几类。最简单的二维Rashba半导体的原胞只有2个原子,如图2a和图2c所示。第2类二维Rashba半导体是二维Janus结构,图2b和图2d展示了代表性的MoSSe和BiTeI。第3类二维Rashba半导体是二维钙钛矿(图2e)。最后,本文归纳了一些二维铁电Rashba半导体,比如图2f的扭曲1T相MoS2和图2g的AgBiP2X6。铁电极化可以实现Rashba自旋的翻转,值得进一步研究。

 

 

图2. 常见的二维Rashba半导体材料

 

 

考虑到实际应用,理想的Rashba材料,不仅需要有强的内禀Rashba效应,且Rashba效应该容易被调控。最常见的调控方法,是电场调控和应力调控。此外,电荷掺杂、层间相互作用(包括双层及多层结构的堆叠方式、层间距、层数)、载体的邻近效应、磁场,同样有调控作用。

 

 

图3. 调控Rashba效应的常见手段

 

自旋轨道耦合效应可以产生、检测和操纵自旋流,这在自旋电子学中发挥着重要作用。

 

图4. Rashba效应的应用

 

 

最后,文中对自旋轨道耦合效应接下来的研究方向进行了展望:自旋轨道耦合效应的线性哈密顿量对某些材料不适用,接下来应该对非线性哈密顿量做进一步研究;二维铁电Rashba半导体,可以实现自旋的翻转,但目前的研究还比较少;一维自旋轨道耦合,包括一维Rashba效应、一维Dresselhaus效应和新型的螺旋位错自旋轨道耦合,值得深入研究,以增强对低维自旋轨道耦合效应的理解。

 

 

关于我们

合肥瀚海量子科技有限公司成立于2021年5月,是一家由中国科学技术大学博士组成的创业团队,专业从事基于量子力学的第一性原理电子结构计算和分子动力学模拟等软件研发的服务商。业务覆盖固体分子材料模拟计算、新材料预测、智能数据分析、科研与教学活动模拟计算演示、量子力学科普教育等各个领域,是一家提供综合软件硬件适配解决方案和技术服务的高科技企业。
瀚海量子以中国科学技术大学杨金龙院士课题组胡伟研究团队研发的第一性原理计算软件HONPAS(Hefei Order-N packages for ab initio simulations)、PWDFT(Plane Wave Density Functional Theory)和KSSOLV(Kohn-Sham Solver)为主要产品,这些软件采用了目前国际上最先进的低标度数值计算方法和迭代对角化算法,结合软件硬件一体化高性能并行计算设计,尤其是针对国产超级计算机的异构并行框架,优于包括本领域的主流VASP在内所有计算软件,是目前做第一性原理固体分子材料计算体系最大(最高20万原子)、效率最高(支持GPU-CUDA加速,并全面适配国产超算)的计算软件。

 

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